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Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, bestehend aus wenigstens einer Bündelungsvorrichtung in Form eines Reflektors
oder einer Linse und aus mindestens zwei mit den Sende- und/oder Empfangseinrichtungen
elektrisch verbundenen Erregern.
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Richtantennen, die für Verbindungen von einem Ort zu einem anderem
Ort vorgesehen sind, strahlen bekanntlich auch in anderen, Jedoch unerwUnschten
Richtungen Energie ab oder nehmen aus solchen Richtungen Störstrahlung auf. Erwünscht
sind daher Antennen mit einer sehr hohen Dämpfung der Nebenzipfel in den störenden
Richtungen. Aufgrund von Maßnahmen zur Verbesserung der Nebenzipfeldämpfung soll
der Antennenwirkungsgrad Jedoch möglichst wenig zurückgehen. Es werden häufig auch
Maßnahmen gefordert, die eine flexible und optimale Einstellung auf spezielle Störbedingungen
gestatten. Beispielsweise bei Satellitenfunkverbindungen tritt das Problem auf,
daß benachbarte Satelliten von einer nicht für sie zum Funkverkehr vorgesehenen
Bodenstation gestört werden und umgekehrt. Auch terrestrische Funkstrecken können
gestört werden oder selbst störend auf Satellitenfunkantennen einwirken.
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In der Richtfunktechnik ist eine engere Vermaschung von Richtfunknetzen
ohne eine Reduzierung der gegenseitigen Stbrungsmbglichkeiten oft nicht möglich.
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Zu den Richtantennen mit einer verhältnismäßig guten Nebenzipfeldämpfung,
vor allem in den weiter von der Hauptkeule abliegenden Winkelbereichen, gehören
die Hornparabolantenne und moderne Muschelantennen (Aufsatz von D.F.Koch: "Fortschritte
in Theorie und Technik von Hornstrahlern und Spiegelantennen", NTZ, Heft 8, 1973,
Seiten 354 bis 360). Beide genannten Konstruktionen sind jedoch verhältnismäßig
aufwendig und eignen sich beispielsweise für größere Antennen wenig, vor allem wenn
diese, wie bei Satellitenbodenstationsantennen, frei beweglich sein müssen. Der
Wirkungsgrad dieser und ähnlicher Flächenantennen, die alle eine zum Aperturrand
wenigstens in gewissen Richtungen stark abfallende Belegung, wie sie zur Nebenzipfelabsenkung
erwünscht ist, aufweisen, ist im Vergleich zu Antennen mit einer sehr homogenen
Belegung verhältnismäßig klein. Außerdem haben die Nebenzipfel in der Nähe der Hauptkeule
für viele Anwendungsfälle immer noch einen zu hohen Pegel.
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Eine gewisse Kompensation der in der Aperturebene liegenden, meist
weniger gedämpften 90°-Nebenzipfel läßt sich durch geeignete Blenden am Aperturrand
erreichen (DE-PS 20 30 145).
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Wird die Richtantenne als Cassegrain-Antenne ausgeführt, so ist eine
Absenkung von Nebenzipfeln mit Hilfe einer auch in Richtung zum Subreflektorrand
hin abfallenden Belegung möglich. Jedoch ist diese Absenkun pnur eet einen spürbaren
Rückgang des Wirkungsgrades in der Hauptstrahlrichtung der Antenne möglich.
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Gezielte Nebenzipfelabsenkungen in bestimmten Winkelbereichen sind
auch bei geeignet gespeisten Gruppenantennen möglich. Solche Antennen eignen sich
jedoch, vor allem aus Kostengründen, zumeist nicht für den Aufbau größerer Richtantennen
im Mikrowellenbereich, mit Ausnahme gewisser Anwendungen, z.B. in manchen Radarsystemen,
bei welchen eine elektronische Strahlschwenkung unbedingt erforderlich ist.
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Prinzipielle regelungstechnische Methoden der Störsignalunterdrükkung
sind von adaptiven Empfangsantennen mit Nullstellensteuerung
bekannt
(W.F.Gabriel: "Adaptive Arrays - An Introduction", Proc.
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of the IEEE, Band 64, Nr.2, Febr. 1976, S. 239-272). Dabei handelt
es sich ebenfalls um Gruppenantennen oder Reflektorantennen mit einer nicht als
Erreger wirkenden Zusatzgruppe geringer Bündelung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Richtantenne der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß sich mit ihr ohne Herabsetzung des Antennenwirkungsgrades
in der Hauptstrahlrichtung und ohne großen technischen Aufwand eine extrem hohe
Nebenzipfeldämpfung ergibt, so daß Störstrahlungen in oder aus unerwünschten Richtungen
nicht mehr in Betracht kommen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß einer der Erreger als Haupterreger zur Erzeugung der gewünschten primären Antennenhauptkeule
ausgebildet ist und daß der andere bzw. die anderen Erreger als Hilfserreger ausgeführt
ist bzw. sind, dessen bzw. deren Position sowie phasen- und amplitudenmäßige Speisung
über einen Verteiler oder durch Strahlungsankopplung so gewählt sind, daß in einer
bzw.
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mehreren vorgegebenen Richtungen sekundäre Hauptkeulen derart erzeugt
werden, daß eine Kompensation der vom Haupterreger erzeugten oder aufgenommenen
Störstrahlung aus dieser Richtung bzw. diesen Richtungen aufgrund Interferenz erfolgt.
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Es ist zwar bekannt, daß in Reflektorrichtantennen, die mit einem
meist in einem primären oder sekundären Brennpunkt angeordneten Erreger arbeiten,
durch das Hinzufügen weiterer, aus dem Brennpunkt geeignet versetzter Erreger weitere
Hauptkeulen der Antenne erzeugt werden können, deren Richtung durch die Lage der
jeweiligen Erreger in weiten Grenzen eingestellt werden kann (Silver:Microwave Antenna
Theory and Design, Mc Graw-Hill, 1949, S. 473). Der Erfindungsgedanke besteht darüber
hinausgehend jedoch darin, Hauptkeulen von zusätzlichen Erregern, d.h. den Hilfserregern,
genau in die Richtung der gestörten oder störenden Objekte auszurichten und die
Höhen dieser Keulen durch geeignete Phasen- und Amplitudenspeisung der jeweils zugeordneten
Erreger so einzustellen, daß gerade eine Auslöschung der interferierenden Strahlungsbeiträge
in den genannten Richtungen eintritt. Da die
zu kompensierenden
Pegel in den meisten Fällen mindestens 20 bis 30 dB unter dem Maximalpegel des Strahlungsdiagramms
liegen, ist der Leistungsverlust, der durch Speisung der Hilfserreger entsteht oft
vernachlässigbar. Aus dem gleichen Grund können die Hilfserreger auch kleiner und
einfacher aufgebaut sein als der Haupterreger, da der Antennenwirkungsgrad bezüglich
dieser Hilfserreger nicht hoch zu sein braucht, Die Erreger lassen sich ohne Schwierigkeiten
über ein geeignetes, in der Ausführung jedoch weitgehend variables Verteilernetz
an die eigentliche Nachrichtenleitung anschließen; sie können jedoch auch direkt
über das Strahlungsfeld angekoppelt werden, wobei sie entweder mit einer geeigneten
Impedanz abgeschlossen werden oder ihre Leistung über ein zusätzliches Strahlungselement,
mit dem sie über eine Leitung verbunden sind, erhalten. Amplitude und Phase der
vom Hilfserreger abgestrahlen Welle können dabei, außer durch die bereits genannten
Maßnahmen, auch durch Größe und Position des zusätzlichen Strahlungselementes beeinflußt
werden.
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Die Richtantenne nach der Erfindung läßt sich beispielsweise entweder
als Cassegrain-Antenne oder als brennpunktgespeiste, d.h.
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direkt gespeiste Reflektorantenne ausführen.
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Der Haupterreger und die, in zweckmäßiger Weise mit kleineren Abmessungen
ausgeführten Hilfserreger können als einfache konische oder pyramidenförmige Hornstrahler
ausgeführt sein. Sind die störenden oder gestörten Objekte benachbarte geostationäre
Satelliten, dann liegen alle Erreger zweckmäßig etwa annähernd in der gleichen Ebene.
Die bei Strahlungsankopplung möglichen zusätzlichen Antennenelemente zur Energieaufnahme
und Weiterleitung an die Hilfserreger können sich beispielsweise in der Oberfläche
des Hauptreflektors, seitlich vom Hauptreflektor oder, bei Cassegrain-Antennen,
auf der Rückseite des Fangreflektors befinden.
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Die Richtantenne nach den Erfindung läßt sind besonders vorteilhaft
in einer mit einem Satelliten zusammenarbeitenden Bodenstation verwenden, wobei
die Positionen der Hilfserreger so gewählt
sind, daß zur Kompensation
geeignete sekundäre Hauptkeulen in Richtung zu benachbarten Satelliten hin erzeugt
werden. Bei einem derartigen Anwendungsfall ist es günstig, wenn die Breite der
durch den Haupterreger erzeugten Hauptkeule 20 nicht überschreitet und der Abstand
benachbarter Hauptkeulen etwa 6° be.
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trägt, entsprechend einem für die Zukunft geplanten Satellitenabstand
gleicher Größe.
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Die Halterung der Hilfserreger ist in zweckmäßiger Weise so beschaffen,
daß eine variable Einstellung der Erregerposition möglich ist.
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Der Leistungsverteiler im Speisesystem enthält in zweckmäßiger Weise
Phasen-und Amplitudenstellglieder, die eine in Abhängigkeit von der Jeweiligen Störungsrichtung
und dem jeweils gestörten Frequenzbereich variable Einstellung der Phase und der
Amplitude der Hilfserreger erlauben. Dabei besteht der Verteiler vorteilhaft aus
an die Hauptspeiseleitung angeschlossenen Richtkopplern, denen in Richtung zu den
Hilfserregern zur Einstellung der Phase Phasenschieber oder geeignet bemessene Leitungsstücke
und zur Feineinstellung der Amplitude Dämpfungsglieder nachgeschaltet sind. Es kann
aber auch die Phasen- und Amplitudeneinstellung der Hilfserregerstrahlung durch
elektronisch steuerbare Elemente in einem elektronischen Steuerungs- oder Regelungssystem
erfolgen. Ein solches Regelungssystem kann beispielsweise zur frequenzunabhängigen
und in beschränktem Umfang auch zur richtungsunabhängigen Störungskompensation verwendet
werden. Bei Empfangsbetrieb sind dabei die Prinzipien der adaptiven Antennen anwendbar.
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Zwischen dem Leistungsverteiler und den Hilfserregern läßt sich gemäß
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung jeweils ein Polarisator anordnen,
der in einer gestörten Richtung eine Anpassung der Polarisationen der vom Haupterreger
und vom entsprechenden Hilfserreger erzeugten Wellen erlaubt. Dabei ist der Polarisator
in zweckmäßiger Weise so ausgebildet, daß er außer der Einstellung der Polarisation
eine in Abhängigkeit von der jewei-
ligen Störungsrichtung und
dem jeweils gestörten Frequenzbereich variable Einstellung der Phase und der Amplitude
der abgestrahlten Welle erlaubt. Die Phasen-, Amplituden- und Polarisationseinstellung
kann dabei so vorgenommen werden, daß jede von zwei durch Leistungsteilung in der
Zuleitung eines Hilfserregers erzeugten, linear polarisierten Leitungswellen durch
Phasen- und Amplitudenstellglieder separat beieinflußt wird und zwar so, daß nach
orthogonaler Zusammenführung der beiden Komponenten in einem Hohlleiter eine Hohlleiterwelle
erzeugt wird, welche zu den erwünschten Abstrahlungseigenschaften führt. Auch hierbei
kann die Phasen- und Amplitudeneinstellung durch elektronisch steuerbare Elemente
in einem elektronischen Steuerungs- oder Regelungssystem erfolgen.
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Die Hilfserreger haben in der Regel die gleiche Polarisation wie der
Haupterreger. Bei zirkularer zwischen Polarisation kann sich der Leider Sende- und/oder
Empfangseinrichtung einerseits und dem Polarisator des Haupterregers andererseits
oder aber zwischen dem Polarisator und dem Haupterreger befinden.
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Im ersten Fall benötigen die Hilfserreger eigene Zirkularpolarisatoren,
wogegen im zweiten Fall die beiden linearen Komponenten der zirkularpolarisierten
Welle symmetrisch ausgekoppelt und nach einer gleichen elektrischen Wegstrecke wieder
orthogonal zusammengeführt wrden müssen. Phasen- und Amplitudenstellglieder lassen
sich entweder vor der Zusammenführung für jede Komponente oder aber bei geeigneter
zweiachsensymmetrischer Ausführung auch nach der Zusammenführung anordnen.
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Da die Polarisation in verschiedenen Abstrahlrichtungen einer Antenne
gewöhnlich nicht vollständig erhalten bleibt, kann bei hohen Anforderungen an die
Kompensation von Störungen eine Anpassung der Polarisation der durch die Hilfserreger
erzeugten sekundären Hauptkeulen an die jeweilige Polarisation in dem dem Haupterreger
zugeordneten Diagramm erforderlich werden. Diese Anpassung kann beispielsweise durch
eine geeignete, bei Bedarf variabel einstellbare Ausführungsform der Polarisatoren
der Hilfserreger vorgenommen werden. In manchen Anwendungsfällen, z.B. dann, wenn
ein dem
eigentlichen Komunikationsatelliten benachbarter, von einer
Bodenstation gestörter Satellit seine Position ändert, ist es zweckmäßig, die Breite
der durch die Hilfserreger erzeugten sekundären Hauptkeulen größer als die Breite
der durch den Haupterreger erzeugten primären Hauptkeule zu machen. Diese Keulenverbreiterung
ist z.B. mittels einer Defokussierung der Hilfserreger realisierbar.
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Die Nebenzipfelkompensation nach der Erfindung ist normal er weise
sowohl bei Empfangsbetrieb als auch bei Sendebetrieb der Antenne möglich. Dazu müssen
die Phasen- und Amplitudenstellglieder lediglich eine entsprechende Frequenzcharakteristik
aufweisen. Die Anwendung der von den adaptiven Antennen mit automatischer Nullstellensteuerung
bekannten Regelungsprinzipien ist jedoch nur im Empfangsfall möglich, da hierbei
der Regelprozess vom gestörten Empfangssignal,und zwar durch Vergleich mit einem
Pilotsignal, gesteuert wird.
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Anhand von in vier Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung im folgenden nach näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine rotationssymmetrisch
ausgebildete Cassegrain-Antenne mit einem Haupterreger 1, zwei dazu benachbarten
Hilfserregern 2 und 3, einem von den drei Erregern 1 bis 3 im Sendefall angestrahlten
Fangreflektor 4 und einem Hauptreflektor 5. Die in einer Ebene liegenden Erreger
1 bis 3 sind als Hornstrahler ausgebildet und werden von einer Sender-/Empfängerschaltung
6 über eine Hauptspeiseleitung 7, einen Leistungsverteiler 8 und drei Einzelspeiseleitungen
9, 10 und 11 gespeist. Die Cassegrain-Richtantenne erzeugt aufgrund der Erregung
des mittels im Brennpunkt des Fangreflektors 4 mit seinem Phasenzentrum gelegenen
Haupterregers eine Hauptkeule 12. Der Haupterreger 1 ruft allerdings neben dieser
Hauptkeule 12 auch noch Nebenzipfel hervor, die zu einer Störstrahlung führen. Diese
Störstrahlung wird durch zwei von den beiden Hilfserregern 2 und 3 hervorgerufene
Hauptkeulen 13 und 14 gerade kompensiert. Die Hauptkeulen 13 und 14
weisen
nämlich genau in die Richtungen der gestörten oder störenden Objekte, wobei die
Höhe dieser Keulen 13 und 14 durch eine geeignete Phasen- und Amplitudenspeisung
der zugeordneten Erreger 2 und 3 so eingestellt wird, daß eine Auslöschung der interferierenden
Strahlungsbeiträge in den Richtungen 15 und 16 eintritt. Im Verteiler 8 können z.B.
Phasen- und Amplitudenstellglieder eingebaut werden, die eine in Abhängigkeit von
der Störungsrichtung und dem gestörten Frequenzbereich variable Einstellung der
Phase und der Amplitude der Hilfserreger 2 und 3 erlauben.
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von Die Anordnungen nach Fig. 2, 3 und 4 unterscheiden sich von derjenigen
nach Fig. 1 dadurch, daß der Hilfserreger 3 nicht über eine Leitung 11 und einen
Verteiler 8 an die Hauptspeiseleitung 7 angeschlossen ist, sondern über das Strahlungsfeld
der Antenne angekoppelt wird. In der Anordnung nach Fig. 2 ist dazu auf der Rückseite
des Fangreflektors 4 ein weiterer Erreger 17a vorgesehen, der über eine Leitung
18a mit dem Hilfserreger 3 verbunden ist. Andere mögliche Positionen für den zweiten
Erreger 17b bzw. 17c, nämlich an der Oberfläche des Hauptreflektors 5 bzw. seitlich
vom Hauptreflektor 5 sind in der Fig. 3 angedeutet, wobei eine Verbindung zum Hilfserreger
3 über Leitungen 18b bzw. 18c hergestellt wird. Die Erreger 17a, 17b und 17c in
den Cassegrain-Antennen nach Fig. 2 bzw. 3 befinden sich an solchen Stellen im Feld
der Antenne, die eine gewünschte Phasen- und Amplitudenanregung des Hilfserregers
3 ergeben.
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In der Antennenanordnung nach Fig. 4 ist eine Möglichkeit aufgezeigt,
bei welcher die Strahlungsanregung des Hilfserregers 3 über dessen Öffnung selbst
erfolgt. Der Hilfserreger 3 ist dabei mit einer der gewünschten Wiederabstrahlung
der aufgenommenen Energie angepaßten Impedanz 19 abgeschlossen.
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4 Figuren 20 Patentansprüche
L e e r s e i t e